I pianeti giganti di ghiaccio come Nettuno e Urano sono molto abbondanti nella nostra galassia. I loro interni sono composti principalmente da una densa miscela fluida di acqua, metano e ammoniaca. A causa delle condizioni estreme, piove diamante.
In un precedente esperimento, gli scienziati hanno simulato le temperature rigide e le pressioni che si trovano nel profondo Nettuno ed Uranosono i giganti di ghiaccio. Per la prima volta, hanno potuto osservare la formazione di una pioggia di diamanti.
Un nuovo studio ha scoperto che la "pioggia di diamanti", un tipo esotico di precipitazione a lungo ipotizzato sui pianeti giganti di ghiaccio, potrebbe essere più comune di quanto si pensasse in precedenza. Lo studio offre un quadro completo di come la pioggia di diamanti si forma su altri pianeti e, qui sulla Terra, potrebbe portare a un nuovo modo di fabbricare nanodiamanti, che hanno una vasta gamma di applicazioni nella somministrazione di farmaci, sensori medici, chirurgia non invasiva, produzione sostenibile, ed elettronica quantistica.
Siegfried Glanzer, direttore della divisione High Energy Density presso SLAC, disse, “Il giornale precedente è stata la prima volta che abbiamo visto direttamente formazione di diamanti da eventuali miscele. Da allora, ci sono stati molti esperimenti con diversi materiali puri. Ma all'interno dei pianeti è molto più complicato; molte altre sostanze chimiche sono nel mix. E quindi, quello che volevamo capire qui era che tipo di effetto hanno queste sostanze chimiche aggiuntive".
In un precedente esperimento, gli scienziati hanno esaminato un materiale plastico costituito da idrogeno e carbonio, due elementi essenziali della composizione chimica complessiva di Nettuno e Urano. Ma i giganti di ghiaccio includono anche elementi aggiuntivi, come quantità significative di ossigeno ed carbonioe idrogeno.
In un recente esperimento, gli scienziati hanno utilizzato la plastica PET per riprodurre in modo più accurato la composizione di questi pianeti.
Dominik Kraus, fisico dell'HZDR e professore all'Università di Rostock, ha dichiarato: "Il PET ha un buon equilibrio tra carbonio, idrogeno e ossigeno per simulare l'attività nei pianeti di ghiaccio".
Gli scienziati hanno creato onde d'urto nel PET utilizzando un laser ottico ad alta potenza presso lo strumento Matter in Extreme Condition (MEC) presso la Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC. Hanno quindi esplorato cosa è successo nella plastica con gli impulsi di raggi X di LCLS.
Gli scienziati in seguito hanno utilizzato la diffrazione dei raggi X per osservare come gli atomi del materiale si riorganizzassero in piccole regioni di diamante. Allo stesso tempo, hanno utilizzato un altro metodo chiamato scattering del piccolo angolo per misurare la velocità e l'ampiezza della crescita di quelle regioni. Questo metodo li aiuta a determinare che queste regioni di diamante sono cresciute fino a pochi nanometri di larghezza. Hanno scoperto che i nanodiamanti possono svilupparsi a pressioni e temperature inferiori rispetto a quanto notato in precedenza quando l'ossigeno era presente nella sostanza.
Kraus ha detto, “L'effetto dell'ossigeno è stato quello di accelerare la scissione del carbonio e dell'idrogeno, incoraggiando così la formazione di nanodiamanti. Significava che gli atomi di carbonio potevano combinarsi più facilmente e formarsi quadri. "
Il team ha anche scoperto la prova che l'acqua superionica potrebbe trovarsi in combinazione con i diamanti. Questa fase dell'acqua recentemente identificata, spesso definita "ghiaccio nero e caldo", può essere trovata a pressioni e temperature straordinariamente elevate.
Le molecole d'acqua si rompono in queste condizioni difficili e gli atomi di ossigeno si organizzano in un reticolo cristallino in cui i nuclei di idrogeno sono liberi di muoversi. L'acqua superionica può condurre corrente elettrica a causa della carica elettrica su questi nuclei fluttuanti, il che può aiutare a spiegare perché Urano e Nettuno hanno campi magnetici peculiari.
I risultati potrebbero anche avere un impatto sulla nostra comprensione dei pianeti nelle galassie lontane poiché gli scienziati ora credono che i giganti di ghiaccio siano la forma più comune di pianeta al di fuori del nostro sistema solare.
La scienziata e collaboratrice dello SLAC Silvia Pandolfi ha dichiarato: “Sappiamo che il nucleo terrestre è costituito prevalentemente da ferro, ma molti esperimenti stanno ancora studiando come la presenza di elementi più leggeri possa modificare le condizioni di fusione e le transizioni di fase. Il nostro esperimento dimostra come questi elementi possono cambiare le condizioni che i diamanti formano sui giganti di ghiaccio. Se vogliamo modellare accuratamente i pianeti, dobbiamo avvicinarci il più possibile alla composizione effettiva del pianeta interno planetario. "
Lo studio indica anche un potenziale percorso per la produzione di nanodiamanti da plastica PET poco costosa utilizzando la compressione d'urto azionata dal laser. Queste minuscole gemme sono attualmente utilizzate negli abrasivi e negli agenti lucidanti. Tuttavia, in futuro potrebbero essere utilizzati anche in sensori quantistici, agenti di contrasto medicinali e acceleratori di reazioni di energia rinnovabile.
Benjamin Ofori-Okai, scienziato e collaboratore dello SLAC, ha dichiarato: “Il modo in cui i nanodiamanti sono attualmente realizzati è prendere un mucchio di carbonio o diamante e farlo esplodere con esplosivi. Questo crea nanodiamanti di varie dimensioni e forme ed è difficile da controllare”.
“Quello che stiamo vedendo in questo esperimento è una diversa reattività della stessa specie ad alta temperatura e pressione. In alcuni casi, i diamanti sembrano formarsi più velocemente che in altri, il che suggerisce che la presenza di queste altre sostanze chimiche può accelerare questo processo. La produzione laser potrebbe offrire un metodo più pulito e più facilmente controllabile per produrre nanodiamanti. Se riusciamo a progettare modi per cambiare alcune cose sulla reattività, possiamo cambiare la velocità con cui si formano e quindi quanto diventano grandi".
Gli scienziati stanno pianificando esperimenti simili utilizzando campioni liquidi contenenti etanolo, acqua e ammoniaca - di cosa sono fatti principalmente Urano e Nettuno - che li avvicinerà alla comprensione esatta di come si forma la pioggia di diamanti su altri pianeti.
Lo scienziato e collaboratore dello SLAC Nicholas Hartley disse, “Il fatto che possiamo ricreare queste condizioni estreme per vedere come si svolgono questi processi su scale molto veloci e molto piccole è eccitante. L'aggiunta di ossigeno ci avvicina più che mai a vedere il quadro completo di questi processi planetari, ma c'è ancora molto lavoro da fare. È un passo avanti per ottenere la miscela più realistica e vedere come si comportano veramente questi materiali su altri pianeti".
Riferimento della Gazzetta:
- Zhiyu He et al. Cinetica di formazione del diamante in campioni C─H─O compressi da shock registrati mediante diffusione di raggi X a piccolo angolo e diffrazione di raggi X. Anticipi Scienza. Vol 8, Numero 35. DOI: 10.1126/sciadv.abo0617
